تولید روانکارهای زیستی: تشدید فرایند با فراصوت‌دهی

صنعت روانکار وارد مرحله‌ای تعیین‌کننده از نوآوری در فرمولاسیون شده است. با حرکت کاربران صنعتی، بخش‌های حمل‌ونقل، بهره‌برداران دریایی و کاربردهای حساس از نظر زیست‌محیطی به‌سوی جایگزین‌های زیست‌تخریب‌پذیر و تجدیدپذیر، تولیدکنندگان روانکار بیش‌ازپیش تحت فشار قرار دارند تا روانکارهای زیستی با عملکرد بالا عرضه کنند، بی‌آنکه کنترل گرانروی، پایداری اکسیداتیو، محافظت در برابر سایش یا پایداری بلندمدت در انبار کاهش یابد. تحلیلگران بازار از رشد مستمر روانکارهای زیستی خبر می‌دهند؛ رشدی که ناشی از تقاضا برای راهکارهای روانکاری زیست‌تخریب‌پذیر، با انتشار آلاینده کمتر و پایدار در کاربردهای حمل‌ونقل و صنعتی است.

تولید فراصوتی روانکارهای زیستی: تشدید فرایند برای روانکارهای پایدار

در این شرایط، پردازش فراصوتی که فراصوت‌دهی نیز نامیده می‌شود، به‌عنوان فناوری تولیدی چندمنظوره برای ساخت روانکارهای زیستی، اهمیت صنعتی بیشتری پیدا می‌کند. فراصوت پرتوان را می‌توان برای پراکنده‌سازی فراصوتی، ترانس‌استریفیکاسیون سونوشیمیایی، امولسیون‌سازی و تهیهٔ ذرات میکروژل به کار برد؛ به‌این‌ترتیب، فرمولاتورها به ابزاری توانمند برای بهبود هم‌زمان تبدیل شیمیایی و کیفیت فیزیکی فرمولاسیون دست می‌یابند. این ویژگی، فراصوت‌دهی را به روشی بسیار کارآمد برای پردازش روغن‌های روانکار زیستی، گریس‌های روانکار زیستی، روانکارهای زیستی پایه‌آب و روانکارهای گرید غذایی تبدیل می‌کند.

چرا پردازش فراصوتی برای تولیدکنندگان روانکارهای زیستی اهمیت دارد

روانکارهای زیستی اغلب بر سامانه‌های پیچیده‌ای از مواد اولیه متکی هستند: روغن‌های گیاهی، استرهای سنتزی، پلیمرهای زیست‌پایه، مشتقات سلولز، افزودنی‌های عملکردی، آنتی‌اکسیدان‌ها، بازدارنده‌های خوردگی، عوامل ضدسایش، اصلاح‌کننده‌های اصطکاک و فازهای پایه‌آب یا امولسیونی. این مواد ممکن است از نظر قطبیت، گرانروی، اندازهٔ ذرات، انحلال‌پذیری و رفتار بین‌سطحی تفاوت‌های چشمگیری داشته باشند. مخلوط‌کن‌های متداول، سامانه‌های روتور–استاتور یا هم‌زدن طولانی‌مدت ناپیوسته ممکن است همیشه چگالی انرژی کافی برای تولید پراکنه‌های ریز و پایدار یا انجام واکنش‌های سریع بین‌سطحی فراهم نکنند.
فراصوت‌دهی از طریق کاویتاسیون آکوستیکی به این چالش‌ها پاسخ می‌دهد. هنگامی که فراصوت با شدت بالا به مایعات اعمال می‌شود، حباب‌های میکروسکوپی کاویتاسیون تشکیل می‌شوند، رشد می‌کنند و فرو می‌پاشند. این پدیده، برش موضعی بالا، ریزاختلاط شدید، آشفتگی، کلوخه‌زدایی ذرات و نواحی واکنش‌پذیری ایجاد می‌کند که می‌توانند انتقال جرم و واکنش‌های شیمیایی را تسریع کنند. در پژوهش‌های ترانس‌استریفیکاسیون، فراصوت به‌طور گسترده به‌عنوان راهی برای غلبه بر سینتیک کند واکنش و تماس ناکارآمد بین فازهای روغن و الکل بررسی شده است.
برای تولیدکنندگان روانکار، این بدان معناست که فراصوت صرفاً روشی آزمایشگاهی برای همگن‌سازی نیست. بلکه فناوری تشدید فرایند است که می‌تواند به تولید فرمولاسیون‌های روانکار زیست‌پایهٔ پایدارتر، یکنواخت‌تر و کارآمدتر کمک کند.
 

پراکنده‌ساز فراصوتی پروبی، روانکارهای زیستی با عملکرد بالا تولید می‌کند.
(پژوهش و تصویر: Liu et al., 2020)

پراکنده‌سازی فراصوتی افزودنی‌های زیست‌پایهٔ روانکار

یکی از چالش‌های اصلی در فرمولاسیون روانکارهای زیستی، وارد کردن همگن افزودنی‌های زیست‌پایه به فرمولاسیون است. موادی مانند کربوکسی‌متیل سلولز، نانوالیاف سلولز، زیست‌پلیمرها، صمغ‌های طبیعی، مشتقات لیگنین، غلیظ‌کننده‌های زیست‌پایه و نانوذرات عملکردی می‌توانند تأثیر زیادی بر گرانروی، روانکاری، عملکرد ضدسایش، تشکیل فیلم و پایداری سوسپانسیون داشته باشند. بااین‌حال، این مواد اغلب تمایل دارند کلوخه شوند، به‌آهستگی آب‌پوشی شوند یا ساختارهای ژلی غیریکنواخت تشکیل دهند.
پراکنده‌سازی فراصوتی به تولیدکنندگان کمک می‌کند کلوخه‌ها را کاهش دهند و افزودنی‌ها را در سراسر ماتریس روانکار یکنواخت‌تر توزیع کنند. این امر به‌ویژه برای روانکارهای پایه‌آب، نانوروانکارها، سامانه‌های گریس‌مانند و روانکارهای زیستی امولسیونی ارزشمند است. پژوهش‌های اخیر دربارهٔ سامانه‌های سلولزی نشان می‌دهند که فراصوت‌دهی می‌تواند بر رفتار پراکنش، رئولوژی و ساختار شبکه تأثیر چشمگیری بگذارد؛ ازاین‌رو، ابزاری مفید برای تنظیم فرمولاسیون‌های حاوی سلولز است.

برای تولیدکنندگان روانکار، پراکنش بهتر می‌تواند نتایج زیر را به همراه داشته باشد:

• گرانروی و رفتار رئولوژیکی یکنواخت‌تر
• بهبود کارایی افزودنی در مقادیر مصرف کمتر
• کاهش ته‌نشینی، جدایش فاز یا مواد جامد شناور
• عملکرد تریبولوژیکی تکرارپذیرتر
• زمان پردازش کوتاه‌تر در مقایسه با هم‌زدن مکانیکی طولانی‌مدت

کربوکسی‌متیل سلولز اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا به‌عنوان یکی از مشتقات سلولز با ویژگی‌های مفید در زمینهٔ گرانروی، خواص سطحی و تشکیل فیلم، به‌طور گسترده استفاده می‌شود. در سامانه‌های روانکار، فراصوت‌دهی می‌تواند به وارد کردن CMC و دیگر زیست‌پلیمرها به فرمولاسیون‌های آبی یا امولسیونی پایدار کمک کند و توسعهٔ روانکارهایی با عملکرد زیست‌محیطی بهتر، رفتار جریان کنترل‌شده و پایداری فرمولاسیون بیشتر را امکان‌پذیر سازد.
 

روانکارهای زیستی حاوی کربوکسی‌متیل سلولز پراکنده‌شده با فراصوت. پراکنده‌سازی فراصوتی نانوروانکارهای زیستی با پایداری بلندمدت تولید می‌کند
پژوهش و تصاویر: ©Rahmadiawan et al., 2022

ترانس‌استریفیکاسیون سونوشیمیایی برای روانکارهای زیستی بر پایهٔ دی‌استر و استر

استرها از مهم‌ترین سیالات پایه برای روانکارهای زیستی با عملکرد بالا هستند. بسته به مادهٔ اولیه و ساختار مولکولی، آن‌ها می‌توانند روانکاری خوب، شاخص گرانروی بالا، زیست‌تخریب‌پذیری و رفتار مطلوب در دماهای پایین فراهم کنند. دی‌استرها و استرهای پلی‌ال به‌ویژه برای کاربردهایی مانند سیالات هیدرولیک، روغن‌های کمپرسور، سیالات فلزکاری، روغن‌های اره‌زنجیری، روانکارهای دریایی و روانکارهای صنعتی ویژه اهمیت دارند.
یکی از کاربردهای امیدبخش فراصوت، تهیهٔ سونوشیمیایی استرها از طریق ترانس‌استریفیکاسیون است. در ترانس‌استریفیکاسیون متداول، واکنش‌دهنده‌های امتزاج‌ناپذیر مانند روغن‌ها و الکل‌ها اغلب به اختلاط شدید، دماهای بالا، کاتالیزورها و زمان واکنش طولانی نیاز دارند. فراصوت با ایجاد امولسیون‌های ریز بین فازهای واکنش‌دهنده و نوسازی پیوستهٔ سطح مشترکی که واکنش در آن رخ می‌دهد، انتقال جرم را بهبود می‌بخشد.
ترانس‌استریفیکاسیون به کمک فراصوت‌دهی روشی جاافتاده است که مزایای آن، از جمله سرعت بیشتر واکنش، بهبود تماس فازها، زمان جداسازی کوتاه‌تر، بازده بالا و کاهش تشکیل پسماند در شرایط مناسب، به‌خوبی اثبات شده‌اند. تولیدکنندگان روانکار از روش ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی برای تولید اجزای روانکار زیستی بر پایهٔ استر، از جمله دی‌استرها و دیگر ساختارهای استری عملکردی استفاده می‌کنند.

ترانس‌استریفیکاسیون فراصوتی به تولیدکنندگان کمک می‌کند:

• تماس بین فازهای روغن، الکل و کاتالیزور را بهبود دهند
• با تشدید انتقال جرم بین‌سطحی، زمان واکنش را کاهش دهند
• بازه‌های عملیاتی پردازش در دمای پایین‌تر یا با بهره‌وری انرژی بیشتر را فراهم کنند
• یکنواختی تبدیل را در تولید ناپیوسته یا پیوسته بهبود دهند
• طراحی راکتورهای کم‌حجم برای تولید مقیاس‌پذیر استر را امکان‌پذیر کنند

برای شرکت‌های تولیدکنندهٔ مواد پایهٔ روانکار زیستی، فراصوت راهی برای تشدید فرایندهای استریفیکاسیون و ترانس‌استریفیکاسیون فراهم می‌کند و درعین‌حال به تولید پاک‌تر و کارآمدتر کمک می‌کند.

امولسیون‌سازی فراصوتی فرمولاسیون‌های روانکار

بسیاری از روانکارهای زیستی مدرن، روغن‌های سادهٔ تک‌فازی نیستند. آن‌ها ممکن است شامل امولسیون‌های آب در روغن، امولسیون‌های روغن در آب، کنسانتره‌های افزودنی، پراکنه‌های موم، سامانه‌های اصلاح‌شده با پلیمر یا مجموعه‌های پیچیدهٔ چندفازی باشند. کیفیت این امولسیون‌ها مستقیماً بر پایداری در انبار، روانکاری، عملکرد خنک‌کاری، محافظت در برابر خوردگی و رفتار هنگام کاربرد تأثیر می‌گذارد.
امولسیون‌سازی فراصوتی بسیار مؤثر است، زیرا کاویتاسیون نیروهای برشی موضعی شدیدی ایجاد می‌کند که قطرات را به اندازه‌های کوچک‌تر می‌شکنند و توزیع اندازهٔ قطرات با دامنهٔ باریک به وجود می‌آورند. در تولید روانکار، می‌توان از این روش برای امولسیون‌سازی روغن‌های زیست‌پایه، فازهای استری، فازهای آبی، مواد فعال سطحی، پایدارکننده‌های پلیمری و افزودنی‌های عملکردی در قالب فرمولاسیون‌های پایدار استفاده کرد.

این امر به‌ویژه برای موارد زیر اهمیت دارد:

• روانکارهای زیستی پایه‌آب
• سیالات فلزکاری و سیالات برش
• سیالات هیدرولیک با اجزای تجدیدپذیر
• گریس‌های امولسیونی و روانکارهای نیمه‌جامد
• کنسانتره‌های افزودنی و پیش‌پراکنه‌ها
• سامانه‌های روانکار حاوی زیست‌پلیمرها یا مشتقات سلولز

امولسیون‌سازی ریز، پایداری فیزیکی فرمولاسیون‌های روانکار را بهبود می‌بخشد و می‌تواند نیاز به مصرف بیش‌ازحد مواد فعال سطحی را کاهش دهد. این امر برای تولیدکنندگان هم از نظر عملکرد و هم از نظر هزینه مزیت دارد: پایداری بیشتر، استفادهٔ کارآمدتر از افزودنی‌ها و انعطاف‌پذیری بیشتر در فرمولاسیون.

فراصوت‌دهی برای ذرات میکروژل امولسیونی

یکی دیگر از حوزه‌های نوظهور، تولید ذرات میکروژل امولسیونی برای فرمولاسیون‌های پیشرفتهٔ روانکار است. میکروژل‌ها می‌توانند نقش اصلاح‌کنندهٔ رئولوژی، حامل مواد مؤثره، اصلاح‌کنندهٔ اصطکاک یا عوامل ساختاردهندهٔ پاسخ‌گو به محرک را ایفا کنند. در سامانه‌های روانکار زیست‌پایه، ذرات میکروژل ممکن است از پلیمرهای طبیعی، سلولز اصلاح‌شده، پلی‌ساکاریدها، پروتئین‌ها یا دیگر سامانه‌های پلیمری تجدیدپذیر تولید شوند.
پردازش فراصوتی با امکان‌پذیر کردن امولسیون‌سازی کنترل‌شده، کاهش اندازهٔ قطرات، پراکنده‌سازی پلیمر و ساختاردهی فازها، به تهیهٔ میکروژل کمک می‌کند. همان سازوکارهای ناشی از کاویتاسیون که امولسیون‌های ریز تولید می‌کنند، می‌توانند به ایجاد قطرات پیش‌مادهٔ کوچک و یکنواخت یا نواحی پلیمری پراکنده نیز کمک کنند که سپس ژل می‌شوند، اتصال عرضی می‌یابند یا پایدار می‌شوند.

تولید روانکار زیستی خود را با فراصوت‌دهی بهینه کنید

یکی از مهم‌ترین پرسش‌های تولیدکنندگان روانکار این است که آیا می‌توان پردازش فراصوتی را به‌طور قابل‌اعتماد در خطوط تولید ادغام کرد. با سونیکاتورهای Hielscher، پاسخ به‌روشنی مثبت است. سونیکاتورهای با عملکرد بالای Hielscher برای کارکرد پیوسته، پردازش درون‌خطی و ادغام بی‌وقفه در خطوط تولید موجود مهندسی شده‌اند و ازاین‌رو راهکاری قدرتمند و قابل‌اعتماد برای تولید صنعتی روانکارهای زیستی هستند.
در یک آرایش صنعتی معمول، پیش‌مخلوط روانکار، دوغاب افزودنی، مخلوط واکنش روغن–الکل یا خوراک امولسیونی از میان یک سلول جریان فراصوتی پمپ می‌شود و در آنجا در معرض انرژی فراصوتی با کنترل دقیق قرار می‌گیرد. پارامترهای کلیدی فرایند، مانند دامنه، فشار، دما، دبی، زمان ماند و انرژی ورودی ویژه را می‌توان به‌دقت تنظیم و پایش کرد و این پارامترها به‌صورت خودکار ثبت می‌شوند. این سطح بالای کنترل‌پذیری، اطمینان فرایندی لازم را برای دستیابی به کیفیت تکرارپذیر فرمولاسیون، پروتکل‌های تولید اعتبارسنجی‌شده و افزایش مقیاس یکنواخت از آزمون‌های تحقیق و توسعه تا تولید پایلوت و ظرفیت کامل صنعتی در اختیار تولیدکنندگان روانکار قرار می‌دهد.
برای تولیدکنندگان روانکار زیستی، این مقیاس‌پذیری اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا الزامات فرمولاسیون روزبه‌روز سخت‌گیرانه‌تر می‌شوند. مشتریان انتظار محصولات پایدار دارند، اما درعین‌حال عملکردی برابر یا بهتر از روانکارهای متداول پایه‌نفتی نیز می‌خواهند. سونیکاتورهای Hielscher با ترکیب توان، قابلیت اطمینان، کنترل‌پذیری و مقیاس‌پذیری خطی در یک بستر فراصوتی مستحکم، به تولیدکنندگان کمک می‌کنند این فاصله را پر کنند. این مزایا، سونیکاتورهای Hielscher را به گزینهٔ ترجیحی شرکت‌هایی تبدیل می‌کنند که برای فرمولاسیون‌های روانکار زیست‌پایهٔ باکیفیت به فراصوت‌دهی در ردهٔ صنعتی نیاز دارند.

 
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی ما ارائه می‌دهد:

طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان

دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شناخته می‌شوند. استحکام و کاربری آسان، ادغام روان دستگاه‌های فراصوتی ما را در تأسیسات صنعتی امکان‌پذیر می‌کنند. دستگاه‌های فراصوتی Hielscher به‌راحتی از عهدهٔ شرایط سخت و محیط‌های پرچالش برمی‌آیند.

Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهینامهٔ ISO است و بر دستگاه‌های فراصوتی با عملکرد بالا که از پیشرفته‌ترین فناوری و کاربری آسان برخوردارند، تأکید ویژه‌ای دارد. البته دستگاه‌های فراصوتی Hielscher با CE مطابقت دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.

منابع علمی / مراجع

• Arumugam, S., Chengareddy, P., Tamilarasan, A. et al. (2019): RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant. Arabian Journal for Science and Engineering 44, 2019. 5535–5548.
• László Vanyorek, Dávid Kiss, Ádám Prekob, Béla Fiser, Attila Potyka, Géza Németh, László Kuzsela, Dirk Drees, Attila Trohák, Béla Viskolcz (2019): Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants. Journal of Materials Research and Technology, Volume 8, Issue 3, 2019. 3244-3250.
• Kałużny Jarosł, Waligórski M, Szymański GM, Merkisz J, Różański J, Nowicki M, Al Karawi M, Kempa K. (2020): Reducing friction and engine vibrations with trace amounts of carbon nanotubes in the lubricating oil. Tribology International 2020.
• Mosleh, Mohsen; Atnafu, Neway; Belk, John; Nobles, Orval (2009): Modification of sheet metal forming fluids with dispersed nanoparticles for improved lubrication. Wear 267, 2009. 1220-1225.
• Li J, Du C, Delgado MA, et al. (2026): The application of nanocellulose in eco-friendly lubricants: A review. Friction, 2026.